电磁阻尼和电磁驱动的几个实验设计

◇ 江西 曹 华

物理是一门以实验为基础的学科,高中物理教学要经常进行实验教学,这是培养学生科学探究能力的重要途径．2020年新冠肺炎疫情期间江西省教育厅组织了线上教学,笔者参与了高中物理的线上课程录制．为达到更好的课堂效果,在教学中培养学生的科学探究能力,笔者设计了几个演示实验．这些实验取材方便,效果明显,可操作性强．现将实验设计和制作方法介绍如下,以供参考．

1 竖直轨道电磁阻尼演示装置

1)实验器材:铝质轨道、强磁体、铝板、塑料板．

2)设计思路:铝板运动,经过磁体附近时会产生感应电流,从而受到阻碍其运动的安培力．塑料板经过磁体附近时不会产生感应电流,因此运动过程不会受到阻碍．让铝板和塑料板一起下落,通过对比可明显看出铝板经过磁体时缓慢下落,而塑料板快速下落．

3)制作方法:将两个铝质轨道(可用铝合金纱窗的边框制作)用支架沿竖直方向固定,在轨道中部安装一个铁质横条,强磁体可吸附在铁质横条上,轨道长度1m 左右,两导轨间距离20cm,裁剪大小形状相同的铝板和塑料板(五金市场有售或从网上购买)．铝板和塑料板制作成边长略小于两导轨间距离的正方形．

4)操作方法:让铝板和塑料板从同一高度由静止释放．实验前可让学生检验铝板材质,确认铝板不会被磁体吸引;为增强实验的趣味性,也可将轨道装有磁体的一面背向学生,设置一些悬念,实验完成后再向学生揭秘．

2 铝质水桶电磁驱动演示装置

1)实验器材:铝质水桶、强磁体、三脚架、PVC 水管、铁钉．

2)设计思路:强磁体不会吸引铝质水桶,但强磁体靠近铝质水桶并绕其运动时会使铝桶内产生感应电流,从而使铝桶受到安培力作用．将铝桶开口向下倒置在支架上,可在安培力作用下转动起来．

3)制作方法:将PVC水管固定在三脚架上,三脚架可用物理实验室的光具座代替,将光具座上端插入PVC水管即可．PVC水管上端固定一颗铁钉,可先将铁钉固定在橡皮塞上,然后将橡皮塞插入PVC 水管上端．将水桶开口向下倒置在支架上．为避免实验时水桶晃动太剧烈,可在水桶口固定一块木板,木板中间开一个直径略大于PVC水管的圆孔．PVC水管长1m左右,用家里装修用的水管即可．强磁体上固定一个手柄,便于实验操作．

4)操作方法:手握强磁体的手柄绕铝质水桶转动即可带动铝质水桶转动起来,操作时磁体要靠近水桶,注意不要碰到水桶,磁体转动速度不用太快,缓慢转动效果就很明显．

3 易拉罐感应电动机演示装置

1)实验器材:电磁炉、铁块、铝质易拉罐、回形针、吸管、铜片、线槽板．

2)设计思路:手握磁体带动铝桶转动虽然可说明电磁驱动现象,但实用性不强,操作也不太方便．感应电动机的原理也是电磁驱动,通过三相交流电产生旋转磁场,驱动感应电动机转子转动．感应电动机是电磁驱动现象的具体应用,若能通过演示实验观察感应电动机的工作,对提高学生学习积极性、激发学生学习兴趣将有很大帮助．电磁炉可产生变化的磁场,可用来模拟三相交流电产生的旋转磁场,铝质易拉罐比较轻便,可用于制作感应电动机转子．

3)制作方法:取一根吸管(长度跟易拉罐高度相近),吸管的两头分别插入拉直的回形针,作为易拉罐转子的转轴并用热熔胶填充吸管以固定回形针．用电钻在易拉罐底部中间钻个小孔,将制作好的转轴穿过小孔插入易拉罐,在易拉罐两头用热熔胶将转轴固定．取一块线槽板的盖子,在线槽板上用螺丝固定两个铜片作为易拉罐转子的支架,铜片上用电钻打一个小孔以安装易拉罐转子(注意两个铜片上的孔要对称)．易拉罐转子的支架不要太高,不影响易拉罐转动即可．

4)操作方法:电磁炉连接电源并放上铁块(电磁炉一般都有防空烧保护,放铁块的作用是让电磁炉工作,还要注意铁块温度过高时电磁炉也会停止工作,这时可将铁块放入水中降温)．电磁炉开始工作后将易拉罐转子靠近电磁炉放置,很快易拉罐转子便会转动起来．

以上几个实验的设计巧妙,制作和操作方法简便,实验装置取材方便,实验效果较为明显．通过自制实验教具演示相关实验,能更好地激发学生的学习热情,有助于培养学生的科学探究能力．